В живых организмах, находящихся в процессе постоянного контакта и обмена с окружающей средой, происходят непрерывные химические изменения, составляющие их метаболизм (множество ферментативных реакций). Масштабы и направление метаболических процессов очень разнообразны. Примеры:

а) число клеток E.coli в бактериальной культуре может удваиваться на 2/3 за 20 минут в простой среде с глюкозой и неорганическими солями. Эти компоненты поглощаются, но лишь немногие выделяются в среду растущей бактериальной клеткой, а она состоит приблизительно из 2.5 тыс. белков, 1 тыс. органических соединений, разнообразных нуклеиновых кислот в количестве 10-3*10 молекул. Очевидно, что эти клетки участвуют в грандиозном биологическом спектакле,в котором планово поставляются огромное количество биомолекул необходимых для роста клеток. Не менее сильно впечатляет метаболизм взрослого человека, который сохраняет неизменную массу и состав тела приблизительно 40 лет, хотя за это время потребляет около 6 тонн твердой пищи и 37850 литров воды. Все вещества в организме превращаются (сложные в простые и наоборот) 2/3 ряд последовательных соединений, каждое из которых называется метаболитом. Каждое превращение - этап метаболизма.

Совокупность таких последовательных стадий катализируемых отдельными ферментами называется метаболическим путем. Из совокупности образных метаболических путей, их совместного функционирования складывается метаболизм. Это осуществляется последовательно а не хаотично (синтез аминокислот, распад глюкозы, жирных кислот, синтез пуриновых оснований). Мы знаем очень мало, отсюда и механизм действия лекарственных веществ очень прозрачен!!!

Весь путь метаболизма контролируется обычно первым - вторым этапом метаболизма (лимитирующий фактор, ферменты с аллостерическим центром - регуляторные).

Такие этапы называются ключевыми, а метаболиты на этих этапах ключевыми метаболитами.

Метаболиты, находящиеся на перекрестных путях метаболизма называются узловыми метаболитами.

Есть циклические пути обмена а) обычно участвует другое вещество и исчезает б) клетка обходится малым количеством метаболитов - экономия. Контрольные пути превращение основных питательных веществ

пища

Тир

Альбинизм Эндемический зоб

пигмент гомогент. к-та Тироксин

меланина

Алкаптурия

углекислый газ и вода

Регуляция метаболизма

Каждая реакция идет со скоростью, соизмеримой с потребностью клетки ("умные" клетки!). Эти специфические определяют регуляцию метаболизма.

I. Регуляция скорости поступления метаболитов в клетку (на перенос влияют молекулы воды и градиента концентрации).

а) простая диффузия (например вода)

б) пассивный транспорт (нет затраты энергии, например пентозы)

в) активный транспорт (система переносчиков, АТФ)

II. Контроль количества некоторых ферментов Подавление синтеза ферментов конечным продуктом метаболизма. Это явление представляет собой грубый контроль метаболизма, например синтез ферментов, синтезирующих ГИС подавляется в присутствии ГИС в среде, бактериальной культуре. Грубый контроль - так как он реализуется в течение длительного времени пока разрушаются готовые молекулы фермента. Индукция одного или нескольких ферментов субстратами (увеличение концентрации специфического фермента). У млекопитающих подобное явление наблюдается спустя несколько часов или суток в ответ на индуктор.

III. Контроль каталитической активности а) ковалентная (химическая) модификация б) аллостерическая модификация (+/-) связи Модуляция активности уже присутствующим ферментом - это в основном аллостерическая регуляция (гомо-, гетеро-, гомогетероферменты) или действие активаторов - это тонкий механизм регуляции, так как мгновенно действует в ответ на изменение внутриклеточной среды. Эти регуляторные механизмы эффективны на клеточном и субклеточном уровнях, на межклеточном и органном уровнях регуляции, осуществляющейся гормонами, нейромедиаторами, внутриклеточными медиаторами, простогландинами.

Пути метаболизма:

1) катаболические

2) анаболические

3) амфоболитические (связывают первых два)

Катаболизм - последовательность ферментативных реакций, в результате которых происходит разрушение в основном за счет реакций окисления крупных молекул (углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты) с образованием легких (молочной и уксусной кислот, углекислого газа и воды) и выделением энергии заключенной в ковалентных связях различных соединений, часть энергии запасается в виде макроэргических связей, идущих затем на механическую работу, транспорт веществ, биосинтез крупных молекул.

Различают три стадии катаболизма:

I стадия - Пищеварение. Крупные пищевые молекулы расщепляются на строительные блоки под влиянием пищеварительных ферментов в ЖКТ, при этом выделяется 0.5-1% энергии, заключающейся в связях.

II стадия - Унификации. Большое число продуктов, образовавшихся на 1 стадии дает во 2 стадии более простые продукты, Число которых невелико, при этом освобождается около 30% энергии. Ценна эта стадия еще тем, что освобождение энергии на этом этапе дает начало синтезу АТФ в бескислородных (анаэробных) условиях, что важно организму в условиях гипоксии.

III стадия - Цикл Кребса. (трикарбоновых кислот / лимонной кислоты). По сути это процесс превращения двухуглеродного соединения (уксусная кислота) в 2 моль углекислого газа, но этот путь очень сложный, циклический, многоферментный, основной поставщик электронов в дыхательную цепь, и соответственно молекул АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Почти все ферменты цикла находятся внутри митохондрий, поэтому доноры электронов ЦТК свободно отдают электроны непосредственно дыхательной цепи мембранной системы митохондрий.

Схема Цикла трикарбоновых кислот.

Сукцинил КоА - содержит макроэргическую тиоэфирную связь, способную трансформироваться в макроэргическую связь ГТФ (субстратное фосфорилирование).

ФАД - передает электроны на КoQ дыхательной цепи: электрон

альфакетоглутарат вода изоцитрат

альфакетоглутарат сукцинил КоА СО2

Кроме всего ЦТК - это 1 стадия одновременно анаболизма.

Регуляция скорости протекания реакций определенного метаболического пути часто осуществляется путем изменения скорости одной или, возможно, двух ключевых реакций, катализируемых «регуляторными ферментами». Некоторые физикохимические факторы, контролирующие скорость ферментативной реакции, например концентрация субстрата (см. гл. 9), имеют первостепенное значение при регуляции общей скорости образования продукта данного пути метаболизма. В то же время другие факторы, влияющие на активность ферментов, например температура и pH, у теплокровных животных постоянны и практически не имеют значения для регуляции скорости процессов метаболизма. (Обратите, однако, внимание на изменение значения pH по ходу желудочно-кишечного тракта и его влияние на пищеварение; см. гл. 53.)

Равновесные и неравновесные реакции

При достижении равновесия прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью, и, следовательно, концентрации продукта и субстрата остаются постоянными. Многие метаболические реакции протекают именно в таких условиях, т. е. являются «равновесными».

В стационарных условиях in vivo протекание реакции слева направо возможно за счет непрерывного поступления субстрата и постоянного удаления продукта D. Такой путь мог бы функционировать, но при этом оставалось бы мало возможностей для регуляции его скорости путем изменения активности фермента, поскольку увеличение активности приводило бы только к более быстрому достижению равновесия.

В действительности в метаболическом пути, как правило, имеются одна или несколько реакций «неравновесного» типа, концентрации реактантов которых далеки от равновесных. При протекании реакции в равновесном состоянии происходит рассеивание свободной энергии в виде теплоты, и реакция оказывается практически необратимой.

По такому пути поток реактантов идет в определенном направлении, однако без системы контроля наступит его истощение. Концентрации ферментов, катализирующих неравновесные реакции, обычно невелики, и активность ферментов регулируется специальными механизмами; эти механизмы функционируют по принципу «одноходового» клапана и позволяют контролировать скорость образования продукта.

Определяющая скорость реакция метаболического пути

Определяющая скорость реакция - это первая реакция метаболического пути, фермент которой насыщается субстратом. Она может быть определена как «неравновесная» реакция, характеризующаяся величиной , значительно меньшей, чем нормальная концентрация субстрата. Первая реакция гликолиза, катализируемая гексокиназой (рис. 22.2), является примером такой определяющей скорость реакции.

Обмен веществ – можно определить как совокупность всех биоорганических реакций, катализируемых ферментами.

Межуточный обмен начинается с момента поступления питательных веществ в кровь и до момента выведения конечных продуктов обмена и обеспечивающих организм веществами и энергией, необходимыми для его жизнедеятельности.

Метаболизм представляет собой высоко интегрированный и целенаправленный процесс. Интеграция возможна благодаря существованию взаимосвязи между метаболизмами углеводов, белков и жиров и др. Взаимосвязь обеспечивается общим энергетическим снабжением, общими промежуточными метаболитами, на уровне которых происходит пересечение специфических метаболических процессов (гл-6-ф, ПВК, ацетил-КоА), общими метаболическими процессами (ЦТК, окислительное фосфорилирование). Интеграция возможна и благодаря взаимосвязи между тканями и органами. Интегрирующие системы включают нервную систему (центр обработки информации и принятия решения, при изменении условий); эндокринную систему (выработка гормонов, передающих информацию в клетку); сосудистую систему (служит для транспорта не только питательных веществ, но и гормонов).

Последовательность хода обмена веществ в организме позволяет выделить 4 этапа обмена веществ, то есть обмен веществ характеризуется динамичностью и стадийностью.

1 этап – на этом этапе подготавливается поступление питательных веществ во внутренние ткани организма в процессе пищеварения в желудочно-кишечном тракте. Различают:

а) дистантное переваривание – например, расщепление белков под действием пепсина в полости желудка или трипсина в просвете кишечника.

б) пристеночное или мембранное – например, действие пептидаз, фиксированных на поверхности клеток слизистой кишечника;

в) внутриклеточное – например, в лизосомах переваривание под действием протеолитических ферментов.

Кроме ферментов макроорганизма в пищеварении участвуют и ферменты кишечной микрофлоры.

2 этап – резорбция – процессы всасывания питательных веществ через слизистую оболочку кишечника.

3 этап – межуточный обмен – ферментативные процессы синтеза и расщепления, регулируемые нейрогуморальным путем.

4 этап – выделение – экскреция продуктов обмена.

Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО 2 , NН 3 , мочевина, креатинин).

Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.

Катаболизм.

Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.

1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.

Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.

2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.

Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию , которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.

Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию.Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.

На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.

На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.

На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.

Анаболизм.

Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.

2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.

3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.

Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.

В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.

Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.

Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Принципы интеграции метаболизма

Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.

Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.

При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.

Глава 5.

Элементы химической термодинамики

1. Организация химических реакций. Энергетические циклы

2. Основные положения термодинамики

3. Законы термодинамики

4. Введение в обмен веществ.Принципы организации метаболизма. Понятие о процесса катаболизма и анаболизма.

5. Иерархия метаболической регуляции

6. Энергетический обмен. Что такое биоэнергетика?

7. Протонный потенциал.

8. Структурные особенности АТФ. Роль макроэргов в обмене веществ.

9. Представление о биологическом окислении, его роль и виды, ферменты и коферменты этого процесса.Реакции синтеза АТФ. Окисление энергетических субстратов.Переносчики электронов и протонов. Генерирование протонного потенциала.Коэффициент окислительного фосфорилирования. Механизмы его регуляции.

10. Пути утилизации кислорода.

11. Синтез АТФ.

12. Общие пути метаболизма. Цикл трикарбоновых кислот его амфиболическая сущность.Энергетический обмен. Протонный потенциал.

Биологически важные макроэргические соединения. Представление о биологическом окислении. Роль биологического окисления.

13. Реакции окисления-восстановления. Пути утилизации кислорода: оксидазный и оксигеназный.

14. Синтез АТФ. Синтез АТФ путем субстратного и окислительного фосфорилирования.

Генерирование протонного потенциала. Синтез АТФ за счет протонного потенциала.

15. Ситуационные задачи, теоретические задания и лабораторно практические работы по теме «Биохимическая термодинамика».

16. Энергетический обмен и общий путь катаболизма.

Биохимическая термодинамика – раздел биохимии, который занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Её основополагающие принципы позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Небиологические системы могут совершать работу за счёт тепловой энергии, биологические же системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жизнедеятельности используют химическую энергию.

Жизнедеятельность организма определяют особенности организации биологических структур, обмена веществ и энергии, передачи генетической информации и механизмы регуляции.

Повреждение любого из этих звеньев приводит к развитию патологического процесса и заболеванию. Знание молекулярных механизмов жизнедеятельности и их нарушений – основа для поиска и применения в клинике препаратов различной биологической природы.

Организация химических реакций.

Цепи химических реакций образуют метаболические пути или циклы, каждый из которых выполняет определенную функцию. Принято выделять центральные и специальные метаболические пути. Центральные циклы являются общими для распада и синтеза основных макромолекул. Они очень сходны у любых представителей живого мира. Специальные циклы характерны для синтеза и распада индивидуальных мономеров, макромолекул, кофакторов и т.д.

Энергетические циклы.

Вследствие многообразия форм питания и потребления энергии живые организмы в природе тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь в питании и использовании источников энергии можно представить в виде своеобразных энергетических циклов живой природы.

Главные компоненты этого цикла:

Солнце - источник внеземной энергии,

Аутотрофы, улавливающие солнечную энергию и синтезирующие из СО 2 углеводы и прочие органические вещества

Гетеротрофы - животные организмы, потребляющие органические вещества и кислород, производимый растениями

Фототрофы – растения, производящие кислород в процессе фотосинтеза

Потери энергии, связанные с жизнедеятельностью всех организмов на Земле, возмещаются энергией Солнца. Следует подчеркнуть, что клетки животных и человека используют в качестве энергетического материала сильно восстановленные вещества (углеводы, липиды, белки), т.е. содержащие водород. Водород – энергетически ценное вещество. Его энергия переходит в энергию химических связей АТФ.

Обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. Сложнейшая регуляция обмена веществ на разных уровнях обеспечивается работой множества ферментных систем, это – саморегуляция химических превращений.

Ферменты – это высокоспециализированные белки, которые синтезируются в клетке из простых строительных блоков – аминокислот. Обмен веществ осуществляется при участии нескольких сотен различных типов ферментов. Реакции, катализируемые ферментами, дают 100%-ный выход без образования побочных продуктов. Каждый фермент ускоряет лишь какую-то цепь реакций данного соединения, не влияя на другие реакции с его (соединением) участием. Поэтому в клетке возможно протекание множества реакций без опасности загрязнения клетки побочными продуктами. Сотни реакций в клетках при участии ферментов организованы в виде последовательно идущих друг за другом реакций – стационарного потока.

В ходе химических превращений происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, молекул и ионов и перераспределение сил химической связи, что приводит к выделению энергии (если итогом взаимодействия является упрочнение связей между атомами, ионами и молекулами), либо к поглощению (если эти связи становятся более слабыми). Поэтому для всех химических реакций характерны не только глубокие качественные изменения и строго определенные стехиометрические соотношения между количествами исходных и образующихся в результате реакции веществ, но и вполне определенные энергетические эффекты.

Законы термодинамики

Первый закон термодинамики.

Понятие о процессах катаболизма и анаболизма.

Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называется промежуточным метаболизмом (межуточным обменом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса – катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция).

Катаболизмом называют ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, как правило, у высших организмов, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах органических молекул и запасанием её в форме энергии фосфатных связей АТФ (экзергонический процесс, с высвобождением энергии Гиббса и запасанием в виде АТФ).

Анаболизм представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, которые характеризуются значительной энергией Гиббса и малой энтропией, а также синтезом некоторых биосинтетических предшественников более простых соединений, с более прочными связями (низкими значениями энергии Гиббса и высокими значениями энтропии – СО 2 , NН 3 , мочевина, креатинин).

Анаболические процессы происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны общего процесса – метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращением энергии.

Катаболизм.

Расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих 3 основные стадиикатаболизма (Ганс Кребс) – диссимиляция.

1 стадия – крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки – до аминокислот, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды – до жирных кислот, глицеридов и др. веществ.

Количество энергии, освобождающееся на этом этапе, невелико – менее 1%.

2 стадия – формируются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Важно подчеркнуть, что здесь образуются продукты, которые являются общими для обмена разных веществ – это, как бы узлы, соединяющие разные пути метаболизма. К ним относятся: пируват – образуется при распаде углеводов, липидов, аминокислот; ацетил-КоА – объединяет катаболизм жирных кислот, углеводов, аминокислот.

Продукты, полученные на 2-й стадии катаболизма, вступают в 3-ю стадию , которая известна как цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК), в котором идут процессы терминального окисления. В ходе этой стадии все продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О. Практически вся энергия освобождается во 2-й и 3-ей стадиях катаболизма.

Все перечисленные выше стадии катаболизма или диссимиляции, которые известны как «схема Кребса» как нельзя более точно отражает важнейшие принципы метаболизма: конвергенцию и унификацию.Конвергенция – объединение различных метаболических процессов, характерных для отдельных видов веществ в единые, общие для всех видов. Следующий этап – унификация – постепенное уменьшение числа участников обменных процессов и использование в метаболических реакциях универсальных продуктов обмена.

На первом этапе четко прослеживается принцип унификации: вместо множества сложных молекул самого различного происхождения образуются достаточно простые соединения в количестве 2-3 десятков. Эти реакции происходят в желудочно-кишечном тракте и не сопровождаются выделением большого количества энергии. Она обычно рассеивается в виде тепла и не используется для других целей. Значение химических реакций первого этапа состоит в подготовке питательных веществ к действительному освобождению энергии.

На втором этапе четко прослеживается принцип конвергенции: слияние различных метаболических путей в единое русло – то есть в 3-й этап.

На 2-ом этапе освобождается около 30% энергии, содержащейся в питательных веществах. Остальные 60-70% энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот и связанного с ним процесса терминального окисления. В системе терминального окисления или дыхательной цепи, основу которого составляет окислительное фосфорилирование, унификация достигает своей вершины. Дегидрогеназы, катализирующие окисление органических веществ в ЦТК, передают на дыхательную цепь только водород, который в процессе окислительного фосфорилирования претерпевает одинаковые превращения.

Анаболизм.

Анаболизм проходит также три стадии. Исходные вещества – те, которые подвергаются превращениям на 3-ей стадии катаболизма. Таким образом, 3 стадия катаболизма – исходная стадия анаболизма. Реакции этой стадии имеют двойную функцию – амфиболическую. Например, синтез белка из аминокислот.

2 стадия – образование из кетокислот аминокислот в реакциях трансаминирования.

3 стадия – объединение аминокислот в полипептидные цепи.

Также, в результате последовательных реакций происходит синтез нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов.

В 60-70 гг XX века выяснилось, что анаболизм не есть простое обращение реакций катаболизма. Это связано с химическими особенностями химических реакций. Ряд реакций катаболизма практически необратимы. Их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. В ходе эволюции были выработаны обходные реакции, сопряженные с затратой энергии макроэргических соединений. Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, локализацией в клетке – структурная регуляция.

Например: окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот катализирует набор ферментов, локализованных в цитозоле.

Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Принципы интеграции метаболизма

Таким образом, пути метаболизма многообразны, но в этом многообразии заложено единство, которое является специфической чертой обмена веществ.

Это единство состоит в том, что от бактерий до высокоорганизованной ткани высшего организма биохимические реакции тождественны. Другим проявлением единства является цикличность протекания важнейших обменных процессов. Например, цикл трикарбоновых кислот, цикл мочевины, пентозный цикл. Видимо, циклические реакции, отобранные в ходе эволюции, оказались оптимальными для обеспечения физиологических функций.

При анализе организации обменных процессов в организме закономерно возникает вопрос, как же достигается поддержание процессов в соответствии с потребностями организма в разные периоды его жизнедеятельности? Т.е. как поддерживается «гомеостаз» (понятие которое впервые сформировал Кеннон в 1929 г.) в условиях постоянно меняющихся жизненных ситуациий т.е. - при изменении внутренней среды и внешней. Выше уже упоминалось о том, что регуляция обмена веществ в конечном итоге сводится к изменению активности ферментов. В то же время можно говорить об иерархии метаболической регуляции.

Энергетический обмен

Биоэнергетика – это наука, изучающая энергообеспечение живых существ, иными слова­ми, превращение энергии внешних ресурсов в биологически полезную работу. Первым, этапом преобразования энергии является энергизация мембраны- это генери­рование трансмембраниой разности электрохимического потенциала ионов водорода или протонного потенциала (ΔμН +) и трансмембранной разности электрохимического потенциала натрия или натриевого потенциала (ΔμNа +).

Глава 6.

Представление о биологическом окислении

Биологическое окисление - это совокупность всех окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых организмах.

Пути утилизации кислорода

Кислород – сильный окислитель. Окислительно-восстановительный потенциал пары кислород/вода равен +0,82 в. Кислород обладает высоким сродством к электронам. Су­ществует два пути утилизации кислорода в организме: оксидазный и оксигеназный.

Окисление

Оксидазный путь Оксигеназный путь

полное неполное

Окисление окисление

конечный продукт моноокси- диокси- пероксидное

Геназный геназный окисление

Н 2 О Н 2 О 2 путь путь

R-OH HO-R-OH R-O-O-H

Оксидазный путь

В основе оксидазного пути утилизации кислорода лежит реакция дегидрирования, в ре­зультате которой происходит отщепление 2-х атомов водорода (2Н↔2Н + +2ē) от окисляе­мого субстрата с последующим переносом их на кислород.

Для полного восстановления кислорода до воды требуется две пары электронов

(4ē). Од­номоментно к ½ О 2 присоединяется 2 ē.

2ē ½О 2 + 2ē ОН -

RH 2 + ½O 2 R + H 2 O ОН - + 2Н + -- 2 Н 2 О

Для неполного восстановления кислорода до пероксида водорода требуется одна пара электронов (2 ē). Одномоментно присоединяется один электрон.

О 2 + ē О 2 - супероксиданионрадикал

О 2 + Н + НО 2 перекисный радикал

НО · 2 + ē НО 2 - перекисный ион

НО - 2 + Н + Н 2 О 2 пероксид водорода

Оксигеназный путь

В основе оксигеназного пути утилизации кислорода лежит непосредственное включение кислорода в окисляемый субстрат, с образованием соединений с одной или несколькими гидроксильными группами или органических соединений с пероксидной группой.

Монооксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в модифици­руемый субстрат только один атом кислорода, а второй атом кислорода восстанавливает­ся до воды в присутствии НАДФН+Н + как источника водорода.

RН 2 + О 2 + НАДФН+Н + → R-OH + НАДФ + + Н 2 О

Диоксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в субстрат двух атомов кислорода.

RH 2 + 2О 2 + НАДФН+Н + НО-R-OH + НАДФ +

Общие пути метаболизма.

Ацетил-КоАявляется центральным метаболитом превращения глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот.

ОН ОН

ТПФ – гидроксиэтил

На второй стадии происходит акцептирование ацильного остатка коферментом A (KoA-SH) и образование ацетил-КоА. Транслокация ацильного остатка катализируется вторым ферментом комплекса – дигидролипоилтрансацетилазой. Переносчиком ацильного остатка является простетическоя группа фермента – липоевая кислота

(витаминоподобное соединение), которая может находиться в двух формах: окисленной и восстановленной.

(Восстановленная форма)

На третьей стадии происходит окисление восстановленной формы липоевой кислоты. Акцептором двух атомов водорода является кофермент НАД + . Реакцию окисления ката­лизирует третий фермент - дигидролипоилдегидрогеназа, простетическойгруппой кото­рого является ФАД.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса (ПДГ)

Образование ацетил-КоА из пирувата – необратимая реакция, так как ΔG = - 33,5 кДж/моль. Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: аллостерической регуляцией и путем обратимого фосфорилирования (ковалентная модификация). [АТФ] / [АДФ] и [НАД + ] / [НАДН] - важнейшие сигналы, отра­жающие энергетические потребности клетки. ПДГ активен в дефосфорилированной форме. Протеинкиназа ПДГ переводит фермент в неактивную фосфорилированную форму, а фосфатаза поддерживает ПДГ в активном дефосфорилированном состоянии. При насыщении клетки АТФ (повышается молярное от­ношение [АТФ] / [АДФ]) активируется протеинкиназа которая ингибирует ПДГ.

АТФ -это удаленный продукт реакции окислительного декарбоксилирования ПВК. Кроме АТФ активируют протеинкиназу продукты реакции: ацетил-КоА и НАДН. При выработке избытка энергии система регуляции блокирует образование Ацетил-КоА и, как следст­вие, снижает скорость ЦТК и синтеза АТФ.

Рис.6-1. Регуляция активности протеинкиназы пируват декарбоксилазы путем

Цикл трикарбоновых кислот

Этот цикл называют также цикл Кребса, в честь Ганса Кребса (лауреата Нобелевской премии 1953 г.), определившего последовательность этих реакций. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) – с одной стороны, является конечным этапом катаболизма белков, углево­дов и липидов, который сопровождается генерированием восстановленных коферментов – универсальных энергетических субстратов – ФАДН 2 , НАДФН+Н + . Восстановленные коферменты далее используются митохондриальной цепью переносчиков электронов для генерации АТФ из АДФ и Ф н. С другой стороны, промежуточные продукты ЦТК явля­ются субстратами для биосинтеза эндогенных белковых веществ, соединений углеводной и липидной природы и других соединений.

Катаболическая функция ЦТК.

ЦТК - это последовательность 8 реакций, в результате которых ацетил-КоА (активная ук­сусная кислота) окисляется до двух молекул СО 2 т.е. до конечного продукта метаболиз­ма.

Ацетил-КоА - двууглеродная ацильная группа, характеризуется очень прочной С-С-связью. Непосредственное расщепление С-С-связи в ацетил-КоА представляет собой трудную химическую задачу. В природе существует весьма распространенное решение подобных задач – это циклическое превращение. ЦТК начинается с реакции конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом(ОАА) с образованием цитрата(лимонной кислоты) и заканчивается образованием ОААпри окислении малата,т.е. цикл замыкается. Все фер­менты ЦТК локализуются в матриксе митохондрий и являются растворимыми белками. Исключением является сукцинат-дегидрогеназа, локализованная на поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Реакция конденсации.

Ацетил-КоА + ОАА+ Н 2 О→цитрат + KoA-SH

Реакцию катализирует регулируемый фермент – цитратсинтаза.Это необратимая энерго­зависимая реакция, так как ΔG= - 32,2 кДж/моль. Источником энергии в этой реакции является энергия разрыва тиоэфирной связи в молекуле ацетил-КоА.

Цитрат– трикарбоновая оксикислота. Гидроксильная группа располагается у третично­го атома С.По аналогия с третичными спиртами, цитрат не окисляется.

Реакция изомеризации.

В результате этой реакции происходит перемещение гидроксогруппы из 3-го во 2-е положение углеродной цепи цитрата и образование изомера лимонной кислоты - изоцитрата. Аконитаза – фермент, обладающий абсолютной стереоспецифичностью, катализирует после­довательное отщепление Н 2 О, а затем присоединение ее в другое положение.

Цитрат→аконитат → изоцитрат

Изоцитрат - изомер лимонной кислоты, у которой ОН-группа располагается у вторичного атома углерода. По аналогии с вторичными спиртами изоцитрат может подвергаться окислению с образованием кетокислоты.

Реакция окисления.

Сукцинат фумарат

ФАД ФАДН 2

Реакция катализируется ФАД-зависимой сукцинатдегидрогеназой.Фермент обладает абсолютной стереоспецифичностью. Продуктом реакции является фумарат (транс-изомер). Восстановленный кофермент ФАДН 2 снабжающий дыхательную цепь 2Н + и 2ē для генерации АТФ

Реакция гидратации

Фумарат +Н 2 О → малат

Присоединение воды к фумарату катализируется фумаразой(традиционное название фермента). Продукт реакции – гидроксикислота - малат(яблочная кислота).

Реакция окисления.

Малат ОАА

НАД + НАДН+Н +

Реакция катализируется малатдегидрогеназой НАД + -- зависимой.

ОАА включается в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-КоА, т.е. ЦТК за­мыкается. Восстановленный кофермент НАДН+Н + снабжает дыхательную цепь 2Н + и 2ē и участвует в процессе окислительного фосфорилирования.

Стехиометрия ЦТК.

СН 3 -СО-S-KoA + 2Н 2 О +ЗНАД + + ФАД + ГДФ + Н 3 РО 4 →2СО 2 + 3НАДН+ЗН + +ФАДН 2 , +ГТФ + KoA-SH, ΔG=-40,0 кДж/моль

Таким образом, в результате одного оборота цикла от ацетил-КоА отщепляется KoA-SH, а ацетильный остаток расщепляется до 2-х молекул СО 2 . Этот метаболический процесс сопровождается:

Образованием 4-х восстановленных коферментов: 3-х молекул НАДН +Н + и 1 молекулы ФАДН 2 ;

ГТФ + АДФ→ГДФ +АТФ

Энергетический эффект ЦТК.

За счет окислительного фосфорилировапия:

3НАДН + Н + → (6Н + и 6ē) ЦПЭ → 3 х ЗАТФ = 9 АТФ

ФАДН 2 → 2Н + и 2ē → ЦПЭ → 2АТФ .

За счет субстратного фосфорилирования – 1 АТФ

Итого: при окислении 1 молекулы Ацетил-КоА, при условии сопряжения реакций окис­ления с окислительным фосфорилированием генерируется 12 молекул АТФ.

Анаболическая функция ЦТК.

ЦТК служит источником интермедиатов (промежуточных метаболитов), которые яв­ляются субстратами многих биосинтетических реакций.

1. Сукцинил-КоА является субстратом для биосинтеза порфиринов. Внедрение в пор-фирин катиона железа приводит к образованию гема– простетической группы гемопротеидов (ге­моглобина, миоглобина, каталазы, цитохромов и др.).

2. Цитрат может с помощью белков-переносчиков транспортироваться из матрикса митохондрий в цитоплазму, где при действии фермента цитратлиазы расщепляться с образованием цитозольного ацетил-КоА - субстрата для синтеза холестерина, ВЖК.

Цитрат + АТФ + КоА → ОАА + Ацетил-КоА + АДФ + Н 3 РО 4 .

З. ОАА - с помощью малат-аспартатного челночного механизма транспортируется из матрикса митохондрий в цитоплазму, где в реакции трансаминирования превращается в аспартат. , в свою очередь, может трансформироваться в другие аминокислоты и участвовать в биосинтезе белка. Аспартат используется и в синтезе азотистых оснований и, таким образом, участвует в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот. ОАА (оксал-ацетат) в цитоплазме может подвергаться декарбоксилированию при действии фосфоенолпируваткарбоксикиназы в присутствии ГТФ с образованием ФЕП- промежуточного метаболита участвующего в синтезе глюкозы (в глюконеогенезе).

4. α-Кетоглутарат поступает в цитоплазму, где превращается в глутамин, пролин, гистидин, аргинин, которые далее включаются в синтез белковых веществ и других биологически важных соединений. Таким образом, ЦТК – это амфиболический цикл.

Протонный потенциал.

Трансмембранная разность электрохимического потенциала иона водорода, ΔμН + или протонный потенциал занимает центральное положение в системе процессов трансфор­мации энергии, протекающий во внутренней мембране митохондрий. За счет энергии внешних ресурсов протоны транспортируются через биологическую мембрану против сил электрического поля в направлении большей их концентрации, в результате гене­рируется разность электрохимического потенциала. ΔμН + состоит из 2-х компонентов: электрического в форме трансмембранного градиента электрических потенциалов (Δφ) и химического, в форме трансмембранной концентрации ионов водорода (ΔрН). ΔμН + =Δφ +ΔрН Потенциальная энергия, накопленная в виде Δφ и ΔрН, может быть утилизирована полезным образом, в частности, в синтезе АТФ.

Роль АТФ в обмене веществ

В биологических системах АТФ постоянно образуется и постоянно потребляется. Оборот АТФ очень высок. Например, человек в покое расходует около 40 кг АТФ в сутки. Энер­гопотребляющие процессы могут осуществляться при условии постоянного регенериро­вания АТФ из АДФ. Таким образом, цикл АТФ-АДФ – основной механизм обмена энер­гии в биологических системах.

Синтез АТФ

Реакция синтеза АТФ – это реакция фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом (Рис. 6-1).

АДФ + Н 3 РО 4 → АТФ + Н 2 О.

Это эндергоническая реакция, которая протекает только при посту­плении свободной энергии извне, так как ΔG = + 30,5 кДж/моль

(+ 7.3 ккал/ моль). Сле­довательно, синтез АТФ может протекать лишь при условии энергетического сопряже­ния с экзергоническими реакциями. В зависимости от источника свободной энергии су­ществует два пути синтеза АТФ: субстратное фосфорилирование иокислительное фосфорилирование.

СООН СООН

ΔG= - 61,9 кДж/моль (- 14,8 ккал/моль).

Путем непосредственного переноса остатка фосфорной кислоты, богатой энергией, с этих макроэргических соединений на АДФ и синтезируется АТФ.

ΣФЕП +АДФ→ПВК +АТФ

К макроэргическим соединениям относятся и соединения с тиоэфирными связями. На­пример, сукцинил~S-KoA. При разрыве тиоэфирной связи высвобождается энергия, ко­торая используется на синтез ГТФ (ГДФ+Н 3 РО 4 → ГТФ + Н 2 О). Сукцинил~S-KoA + ГДФ +Н 3 РО 4 → Сукцинат + ГТФ + HS~КоА, ΔG=-35.5 кДж/моль.

Типы переносчиков

ФМН + 2Н + + 2ē ↔ ФМНН 2

Железо-серные центры

Это белковые негемовые железосодержащие переносчики электронов. Имеются несколько типов железо-серных центров: Fe-S,Fe 2 -S 2 , Fe 4 -S 4 . Атомы железа комплексов мо­гут отдавать и принимать электроны, поочередно переходя в ферро-(Fe 2+) - и ферри-(Fe 3+) - состояния. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Fe 3+ -S + 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, кофермент-Q(KoQ) – единственный небелковый переносчик электронов.

КоQ (хинон) КоQ (семихинон) КоQН 2 (гидрохинон)

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон – органический свободный радикал. Е о =+0,01

Цитохромы – белковые переносчики электронов, в качестве простетической группы, со­держащие гемовое железо. В основе функционирования цитохромов лежит изменение степени окисления атома железа Fe 3+ +ē ↔ Fe 2+ . Различные цитохромы обозначаются буквенными индексами: b, с 1 , с, a, a 3 . Отличаются цитохромы по структуре белковой части и боковых цепей гема, в связи с этим они имеют и различные величины редокс-потенциалов (окислительно-восстановительных потенциалов). Цитохром «b» Е о = +0,08 , «c i » Е о =+0,22, «с» Е о = +0,25, «аа з » Е о = +0,29. Отличительной особенностью цитохрома с является то,что он непрочно связан с внешней поверхностью внутренней мембраны митохондрий и легко по­кидает её.

Все эти переносчики электронов можно сгруппировать в четыре ферментативных ком­плекса, структурированные во внутренней мембране митохондрий, представляющие со­бой ферментативный ансамбль,получивший название «дыхательные ферменты»,«цитохромная система», «ЦПЭ»(цепь переноса электронов).

Комплекс I – НАДН-дегидрогеназа (НАДН-КоQ-редуктаза). Простетические группы -ФМН, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Комплекс III – КоQН 2 -дегидрогеназа (KoQH 2 -цит.с-редуктаза). Простетические группы: FeS, цитохромы b 1 , b 2 , с 1 . Акцептор электронов – цитохром - с.

Комплекс IV – цитохромокcидаза. Простетические группы: цитохромы аа з, Си 2+ . Ак­цептор электронов– кислород.

Комплекс II – сукцинатдегидрогеназа (Сукцинат-КоQ-редуктаза). Простетические группы ФАД, FeS. Акцептор электронов – KoQ .

Между комплексами электроны транспортируются при помощи подвижных переносчиков - убихинона и цитохрома-с.

Окислительно-восстановительные переносчики в ЦПЭ расположены в порядке увели­чения стандартных окислительных потенциалов, что обеспечивает самопроизвольный транспорт двух электронов по дыхательной цепи от НАДН+Н + к кислороду - конечно­му акцептору электронов. Перенос двух электронов по ЦПЭ является полезной ра­ботой и сопровождается поэтапным высвобождением свободной энергии Гиббса (ΔG), которая далее используется в синтезе АТФ.Поэтапное высвобождение энергии приводит к тому, что электроны, которые восстанавливают кислород, находятся на более низком энергетическом уровне, по сравнению с электронами, находящимися в вос­становленном НАДН +Н + в начале цепи.

З. Генерирование протонного потенциала ΔμН +

Каким же образом осуществляется сопряжение транспорта электронов по дыхательной цепи с трансформацией высвободившейся электрической энергии в энергию химиче­ских связей АТФ? На этот вопрос в 1961 году дал ответ английский ученый Питер Мит­челл. Его концепция заключалась в том, что движущей силой синтеза АТФ является электрохимический потенциал, протонный потенциал – ΔμH + . ΔμH + . = Δ рН+ Δ φ

рН - градиент протонов, Δφ – разность электрического потенциала. В 1978 году

П. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия и хемиосмотическая теория стала общепризнанной.

По теории П. Митчелла высвобождающаяся поэтапно энергия в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи используется для выкачивания протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Транспорт 2Н + из матрикса митохондрий в межмембранное пространство создает градиент концентрации протонов - ΔрН и приво­дит к возникновению отрицательного заряда на поверхности мембраны со стороны мат­рикса и положительного заряда со стороны межмембранного пространства, при этом соз­дается разность электрических потенциалов – Δφ. Источником протонов в матриксе митохондрий является НАДН + Н + , ФАДН 2 , вода. Возможность генерирования протонного потенциала обеспечивается:

1) непроницаемостью внутренней мембраны митохондрий для ионов вообще и, особенно, для протонов.

2) раздельным транспортом протонов и электронов по дыхательной цепи. Это обеспечи­вается наличием переносчиков 2-х типов: только для электронов и электронов и протонов одновременно.

4. Синтез АТФ за счет протонного потенциала

Метаболизмом или обменом веществ называется сумма целенаправленных реакций, протекающих под действием ферментных систем клетки, которые регулируются различными внешними и внутренними факторами, и обеспечивающие обмен веществами и энергией между средой обитания и клеткой.

Вся совокупность химических реакций в клетке (метаболизм) подчиняется принципу биохимического единства – в биохимическом отношении все живые существа на Земле сходны. У них единообразие строительных блоков, единая «энергетическая валюта» (АТФ), универсальный генетический код и в основе своей идентичны главные метаболические пути.

Реакции, приводящие к расщеплению и окислению веществ с получением энергии, называются катаболизмом; пути, приводящие к синтезу основных сложных веществ, называют анаболизмом. Катаболизм и анаболизм – два самостоятельных пути в обмене веществ, хотя отдельные участки их могут быть общими. Такие общие участки, свойственные катаболизму и анаболизму, называются амфиболитическими.

Катаболитические и анаболитические превращения осуществляются последовательно, так как продукт реакции предыдущей стадии является субстратом для последующей.

Энергетический обмен тесно связан с конструктивным (рис. 2.1).

В ходе биологического окисления образуются разнообразные промежуточные продукты (фосфорные эфиры сахаров, пировиноградная, уксусная, щавелевоуксусная, янтарная, a-кетоглутаровая кислоты), из которых вначале синтезируются монополимеры (аминокислоты, азотистые основания, моносахариды), а затем основные макромолекулы клетки. Синтез компонентов клетки идет с затратой энергии, которая образуется при энергетическом обмене. Эта энергия затрачивается также на осуществление активного транспорта веществ, необходимых для анаболизма.

Взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена заключается и в том, что процессы биосинтеза, кроме энергии, требуют поступления извне восстановителя в виде водорода, источником которого также служат реакции энергетического обмена.

Скорость течения реакций и в целом обмен веществ клетки зависят от состава питательной среды, условий культивирования микроорганизмов и, главное, от потребности клетки в каждый данный момент в энергии (АТФ) и биосинтетических структурах. Клетка очень экономно высвобождает энергию, и синтезируют веществ ровно столько, сколько необходимо ей в настоящий момент. Этот принцип лежит в основе регуляции и контроля всех стадий метаболических путей в клетке.

Регуляция метаболизма в микробной клетке имеет сложную взаимозависимую систему, которая «включает» и «выключает» определенные ферменты с помощью самых различных факторов: рН среды, концентрации субстратов, некоторых промежуточных и конечных метаболитов и т.д. Изучение путей регуляции определенных продуктов обмена веществ в клетке открывает неограниченные возможности для определения оптимальных условий биосинтеза микроорганизмами целевых продуктов.

ферменты дальнейших превращений

продуктов гидролиза А

Б

Рис.2.1. Схема катаболизма и анаболизма микробной клетки

А – конструктивный обмен; Б – энергетический обмен

Для существования жизни важны как регуляция активности отдельных путей метаболизма, так и координация деятельности этих путей.

Каждое из множества веществ создается в клетке в строго необходимых для роста пропорциях в результате ферментативных реакций. Ферменты, синтезирующиеся в клетке постоянно и образование которых не зависит от состава питательной среды называют конститутивными , например, ферменты гликолиза. Другие энзимы, адаптивные или индуцибельные, возникают только в ответ на появление в питательной среде индукторов – субстратов или их структурных аналогов.

Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами:

· регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования;

· регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов);

· катаболитной репрессией.

В процессе ретроингибирования (ингибирование по принципу обратной связи) активность фермента (аллостерического белка), стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата, тормозится конечным метаболитом, например:

Аспартат →Карбамил аспартат →Дигидро-оротовая кислота →Оротовая кислота →

→ Оротидин монофосфат → УМФ → ЦТФ
Карбамилтрансфераза

Хоризмат →Антранилат → Индолил глицерофосфат →Триптофан

Антранилатсинтетаза

Низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ ключевым ферментам метаболизма. Ключевые ферменты – это регуляторы периодичности образования продукта. С помощью описанного механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез. Ретроингибирование – способ точного и быстрого регулирования образования продукта. На обмен веществ, аналогичный конечным метаболитам, оказывают эффект их аналоги.

Регуляция объема биосинтеза ферментов (индукция и репрессия) осуществляется на оперонном уровне (Ф.Жакоб и Ж.Моно, 1961) путем изменения количества иРНК, образующихся в процессе транскрипции.

Бактериальная клетка имеет множество генов, каждый из которых несет информацию и контролирует синтез одного белка или соответствующего соединения. Гены подразделяются на структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы. В структурных генах закодирована информация о первичном строении контролируемого ими белка, т.е. о последовательности расположения аминокислот, входящих в состав белка. Гены-регуляторы контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов, а гены-операторы выполняют роль посредников между генами регуляторами и структурными генами. (рис. 2.2).

который в свою очередь способен оккупировать зону первоначального связывания РНК-полимеразы (оператор) тем самым, препятствуя связыванию последней с промоторным участком и началу синтеза иРНК. Конечные продукты метаболических путей могут не только ингибировать активность ферментов первых стадий процесса, но и тормозить биосинтез ферментов последних его этапов, активируя белок репрессор.

Обнаруженный феномен назван репрессией , а ферменты, биосинтез которых стопорится под влиянием низкомолекулярных метаболитов, переводящих репрессорный белок в активную форму, называются репрессибельными . К их числу относятся глутаминсинтетаза, триптофансинтетаза, орнитин-карбамилтрансфераза, уреаза и др. Если концентрация конечного продукта уменьшается до определенного очень низкого уровня, то происходит дерепрессия фермента, т. е. скорость их биосинтеза возрастает до необходимых величин.

В процессе индукции низкомолекулярный метаболит-индуктор (например, лактоза), соединяясь с репрессорным белком (продукт гена-регулятора), инактивирует его и тем самым препятствует взаимодействию белка-репрессора с зоной оператора, что обеспечивает возможность присоединения к промотору РНК-полимеразы и начало синтеза иРНК. Бактериальные клетки продуцируют множество низкомолекулярных эффекторов в ответ на изменение окружающей среды (стресс, голодание, действие фагов и пр.). Каждый из эффекторов, взаимодействуя по аллостерическому механизму с определенными регуляторными белками, моделирует промоторную специфичность РНК-полимеразы, запуская тем самым экспрессию определенного набора генов.

Катаболитная репрессия . Сущность катаболитной репрессии заключается в подавлении биосинтеза ферментов, обеспечивающих метаболизм одного источника углерода другим источником углерода. Ранее считали, что причина такой репрессии состоит в подавлении биосинтеза ферментов обмена одного источника углерода, продуктами катаболизма другого.

Если в питательной среде присутствуют несколько различных источников углерода, клетка микроорганизма вырабатывает ферменты для усвоения лишь одного, наиболее предпочтительного субстрата. Так, например, когда клетки выращивают на смеси глюкозы и лактозы, то в первую очередь утилизируется глюкоза. После полного использования глюкозы происходит экспрессия ферментов метаболизма лактозы (экспрессия структурных генов лактозного оперона). Лактозный оперон (lac-оперон) включает структурные гены трех ферментов: X, Y и А (отвечают за взаимозависимый синтез β-галактозидазы, галактозилпермеазы и ацетилтрансферазы), контролирующих метаболизм лактозы в клетке. Об отсутствие глюкозы в среде сигнализирует цАМФ, синтез которой подавляется в присутствии глюкозы. Уровень цАМФ в клетке является функцией активности аденилатциклазы. цАМФ является необходимым компонентом для связывания РНК-полимеразы с зоной промотора и начала транскрипции генов, ответственных за синтез данных ферментов. В присутствии глюкозы концентрация цАМФ недостаточна для образования комплекса.

Итак, задача регуляторных механизмов заключается в эффективном регулировании и координировании путей метаболизма с целью поддержания необходимой концентрации клеточных компонентов. Кроме того, клетки должны адекватно реагировать на изменения условий окружающей среды посредством включением новых катаболических путей направленных на использование, имеющихся на данный момент питательных субстратов. Регуляция важна для поддержания баланса между энергетическими и синтетическими реакциями в клетке.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. В чем сущность энергетического обмена?

2. В чем состоит взаимосвязь конструктивного и энергетического обмена?

3. Что такое «фосфорилирование»?

4. Какие ферменты принимают участие в энергетическом обмене аэробов, факультативных анаэробов, облигатных анаэробов?

5. Что подразумевается под «амфиболитическими путями»?

6. Ферменты, и их биохимическая роль.

7. Классификация и номенклатура ферментов.

8. Активные центры ферментов. Субстратная специфичность.

9. Факторы, обеспечивающие ферментативный катализ.

10. Охарактеризуйте состояние равновесия ферментативной реакции?

11. Почему ферменты ускоряют реакции? Что такое энергия активации?

12. От чего зависит скорость ферментативной реакции?

13. Что такое специфичность ферментов?

14. Как называются ферменты, которые выделяются во внешнюю среду?

15. Что такое индуцибельные ферменты?

16. Что такое конститутивные ферменты?

17. Что такое коферменты? Назовите их классы.

18. Как называются ферменты, катализирующие синтетические процессы?

19. Что такое ретроингибирование?

20. Суть теории регуляции синтеза ферментов Ф.Жакоба и Ж.Моно.

21. Объясните механизм индукции синтеза ферментов.

22. Объясните механизм репрессии синтеза ферментов.

23. Что такое катаболитная репрессия?